激光診斷技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測試領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

胡文成，張寶華，王冬冬，竇義濤

（沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015）

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研制經(jīng)常會遇到許多傳統(tǒng)方法無法解決的測試問題。為此，美國的NASA、法國的 SNECMA、德國的 DLR和DASA，以及英國的Cranfield大學(xué)等，早在20世紀(jì)80年代，就開始了光學(xué)診斷技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域應(yīng)用的研究，許多光學(xué)測試技術(shù)早已發(fā)展成熟，但由于種種原因而未能廣泛應(yīng)用。經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)代激光診斷技術(shù)已經(jīng)可以用于測量航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)多種參數(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流場溫度、燃燒室內(nèi)的霧化、射流摻混、燃燒產(chǎn)物濃度、氣膜冷卻效果、葉柵和擴(kuò)壓段的氣流分離、激波寬度等，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和故障診斷帶來了極大便利，許多傳統(tǒng)測量方法無法解決的問題得以順利解決。

本文介紹了多種激光診斷技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測試中的應(yīng)用。

2 激光測速診斷技術(shù)

2.1 激光粒子圖像測速技術(shù)

激光粒子圖像測速（Particle Image Velocimetry,PIV）技術(shù)能夠測量瞬態(tài)速度場，并可以把觀測到的速度矢量描繪出來。其基本原理是利用脈沖激光將隨流體運(yùn)動(dòng)的示蹤粒子照亮，用CCD相機(jī)拍攝示蹤粒子圖像，通過圖像處理得到示蹤粒子的速度矢量。采用PIV技術(shù)可以對內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣道附近流場，垂直起飛飛機(jī)和直升機(jī)水平翼表面附近等瞬態(tài)流場進(jìn)行測量。

PIV技術(shù)對光學(xué)畸變的影響很敏感，如觀察窗的污染、光折射率的變化等都會使測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。在測量燃燒室內(nèi)流場的試驗(yàn)中，折射率變化帶來的影響尤為重要，并且這種影響與燃燒室的尺寸、壓力等因素有關(guān)，因此，PIV技術(shù)應(yīng)用在燃燒室試驗(yàn)中有一定的局限性。G.F.Naterer和P.S.Glockner[1]在 2001年采用 PIV技術(shù)測得了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流場速度分布（如圖1所示），并利用多相湍流模型進(jìn)行了模擬計(jì)算。

圖1 G.F.Naterer實(shí)驗(yàn)給出的部分流場速度分布

2.2 激光多普勒測速技術(shù)

激光多普勒測速（Laser Doppler velometer,LDV）技術(shù)是在20世紀(jì)60年代中期發(fā)展起來的。其基本原理是運(yùn)動(dòng)的粒子經(jīng)過由2個(gè)交叉激光束形成的探測區(qū)，散射光干涉條紋移動(dòng)的時(shí)間頻率與粒子運(yùn)動(dòng)速度有一定的函數(shù)關(guān)系（多普勒效應(yīng)）。

LDV技術(shù)的空間分辨率高，可測很小體積內(nèi)的流速。該技術(shù)采用點(diǎn)測量方式，適用于穩(wěn)態(tài)流場的測量，具有良好的方向靈敏度，并可進(jìn)行三維測量。NASA的Lewis研究中心已經(jīng)采用LDV技術(shù)對渦輪部件內(nèi)的流場進(jìn)行了三維測量。

LDV技術(shù)應(yīng)用于非反應(yīng)流測量中，其結(jié)果比較準(zhǔn)確；而應(yīng)用于反應(yīng)流測量中，由于組分粒子折射系數(shù)不同，使得探測體扭曲，從而影響測量效果。

2.3 多普勒全局速度成像技術(shù)

多普勒全局速度成像(Doppler Global velocimetry,DGV)技術(shù)也稱 PDV（Planar Doppler Velocimetry） 技術(shù)，是 1991年Komine等人首先提出的[2]，可測量被激光片光源所照亮的平面流場速度。其基本原理是激光經(jīng)過運(yùn)動(dòng)的粒子散射后發(fā)生多普勒效應(yīng)，產(chǎn)生的多普勒頻移信號與粒子運(yùn)動(dòng)速度成一定的函數(shù)關(guān)系[3]。

利用DGV技術(shù)可在薄片光平面內(nèi)測量流場的三維速度，數(shù)據(jù)采集和處理速度快。適用于較惡劣的試驗(yàn)條件，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室和尾噴管的流場測量。

DGV技術(shù)與傳統(tǒng)的LDV技術(shù)相比有很多優(yōu)點(diǎn)。后者是點(diǎn)測量技術(shù)，適于穩(wěn)態(tài)流場測量；而前者是平面測量技術(shù)，能夠測量非穩(wěn)態(tài)的瞬態(tài)流場。DGV采用的是多普勒頻移測速技術(shù)，不會受光學(xué)畸變影響。因此，在光學(xué)畸變無法避免的情況下，與PIV技術(shù)相比，DGV技術(shù)顯示出獨(dú)到優(yōu)勢。

1999年，Thomas J.Beutner,Glenn W.Williams和Henry D.Baust等人利用該技術(shù)測得了波音BLI模型流場速度分布[4]（如圖2所示）。

圖2 Thomas J.Beutner等人測得的速度分布（波音BLI模型）

2.4 激光相位多普勒技術(shù)

燃燒室內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)會影響氧與燃油的燃燒反應(yīng)。燃油粒子和空氣流動(dòng)的相對速度對燃油的蒸發(fā)、燃燒效率和燃燒污染物的形成有影響。因此，同時(shí)獲得燃油粒徑和粒子運(yùn)動(dòng)速度的分布對研究燃燒過程有重要作用。在激光測速技術(shù)基礎(chǔ)上，W.D.Bachalo和Mike Houser成功地實(shí)現(xiàn)了對粒徑和速度的同時(shí)測量[5]。

激光相位多普勒（Phase Doppler Particle Analyzer,PD PA）技術(shù)現(xiàn)已成為測量噴霧粒子速度和大小的標(biāo)準(zhǔn)方法。該技術(shù)利用散射光的干涉條紋移動(dòng)進(jìn)行測量，以波長為單位，所以，比通過測量散射光強(qiáng)度得到粒徑的方法精確，并且無需經(jīng)常標(biāo)定。

該技術(shù)的基本原理是：交叉區(qū)域的激光束照射到被測粒子上時(shí)，其散射光的干涉條紋移動(dòng)的時(shí)間頻率（多普勒頻率）與粒子的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，干涉條紋移動(dòng)的空間頻率與粒徑有關(guān)（多普勒頻率信號相位差）。通過同時(shí)測量干涉條紋的多普勒頻率和相位差就可以同時(shí)獲得粒子的運(yùn)動(dòng)速度和粒徑信息。

3 激光燃?xì)夥治黾夹g(shù)

3.1 激光誘導(dǎo)白熾光技術(shù)

在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，由不完全燃燒而產(chǎn)生炭粒子的問題不容忽視。產(chǎn)生的大量的炭粒子不僅使燃燒效率降低，而且由于碳的堆積極易堵塞燃油噴嘴，破壞物化質(zhì)量，全面影響燃燒室性能。另外，燃燒產(chǎn)生的炭粒子、二氧化氮等化學(xué)物質(zhì)是環(huán)境和人類健康的重要污染源，在大型飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，這一點(diǎn)越來越受到重視。對于如何減少污染物排放的問題，國際上近年來也做了大量試驗(yàn)研究。

激光誘導(dǎo)白熾光（laser-induced incandescence,LII）技術(shù)利用激光誘導(dǎo)白熾光原理對炭粒子濃度進(jìn)行分析，是測量航空發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中炭粒子含量的強(qiáng)有力工具。其原理是用脈沖激光束將小粒子炭加熱到非常高的溫度，通過對在此溫度下產(chǎn)生的可見的白熾光信號（黑體輻射）進(jìn)行處理分析，得到炭粒子濃度信息。2002年，T.P.Jenkins,J.L.Bartholomew,和 P.A.DeBarber[6]等人利用LII技術(shù)對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的炭粒子濃度進(jìn)行了研究，其結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 LII信號強(qiáng)度與C濃度關(guān)系（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并非同一天所得）

圖4 利用LII技術(shù)得到的某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)基炭圖像

3.2 平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)

平面激光誘導(dǎo)熒光（Planner Laser-Induced Fluorescence,PLIF）技術(shù)具有優(yōu)越的時(shí)間和空間分辨能力，并且可以得到流場的二維圖像，可以對不同物質(zhì)分子的不同量子態(tài)進(jìn)行探測，因此，采用該技術(shù)可同時(shí)測量流場的多個(gè)參數(shù)，如流場內(nèi)某物質(zhì)的濃度、溫度、壓力和流動(dòng)速度等；這些特性與其卓越的時(shí)間和空間分辨能力有機(jī)地結(jié)合在一起，使其在超聲速和高超聲速流場研究中占有獨(dú)特地位，已成為研究燃燒流動(dòng)的有效診斷工具。

PLIF技術(shù)可利用燃燒所產(chǎn)生的自由基作為示蹤粒子，研究燃燒狀態(tài)下的流動(dòng)。其測速原理與DGV技術(shù)的相似，激光照射到自由基上發(fā)出熒光信號；由于自由基的運(yùn)動(dòng)，熒光產(chǎn)生多普勒頻移（多普勒效應(yīng)）；通過多普勒頻移可得到自由基的運(yùn)動(dòng)速度。常見的待測自由基有 OH、HCHO、CH、CO、CO2、NO、NO2等。

1990年，B.K.McMillin,M.P.Lee和 R.K.Hanson[7]等人采用PLIF技術(shù)對NO在震激管中激波加熱流動(dòng)成像，對激波的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；1999年，Jonathan H.Frank等人采用PLIF技術(shù)得到OH在燃燒室內(nèi)不同壓力下的噴射火焰圖像[8]（最大試驗(yàn)壓力為2026.5 kPa）；2002 年，R.K.Hanson[9]采用PLIF技術(shù)對超聲速燃燒進(jìn)行了研究；2005年，H.Seyfried,G.A.Omrane[10]等人采用PLIF和LIP技術(shù)分別對RM12型發(fā)動(dòng)機(jī)（如圖5所示）加力燃燒室內(nèi)殘余的燃油濃度分布（如圖6所示）和燃燒室內(nèi)的溫度分布進(jìn)行了研究。

圖5 RM12發(fā)動(dòng)機(jī)剖面[10]

圖6 某狀態(tài)下未參與燃燒的燃油濃度分布（灰度表示）[10]

3.3 兼并四波混頻技術(shù)

采用兼并四波混頻（Degenerate four-wave mixing,DFWM）技術(shù)可以對噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庵心承┪镔|(zhì)的濃度進(jìn)行分析[11]，相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備簡單，在試驗(yàn)信號較弱時(shí)也能得到較好的試驗(yàn)結(jié)果而無需其他技術(shù)輔助。3束光（2束泵浦光和1束探測光）照射到被探測物質(zhì)后，形成1束新的信號光，其光強(qiáng)信號包含了被探測物質(zhì)的一些濃度信息(如圖7所示)。該技術(shù)下的空間分辨率與光束交叉區(qū)的大小有關(guān)，因此，該技術(shù)具有卓越的空間分辨能力；利用的是超短激光脈沖,因此具有非常好的時(shí)間分辨能力（大約 30 ns）。

圖7 DFWM信號與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口處NO2濃度關(guān)系[11]

4 激光掃描壓力敏感漆技術(shù)

激光技術(shù)與激光掃描壓力敏感漆(Laser-scanning Pressure-Sensitive Paint,PSP)技術(shù)相結(jié)合，可用于測量壓氣機(jī)葉片的表面靜壓分布。其原理是：激光照射到被測部件的PSP涂層上，產(chǎn)生的冷光信號與部件表面的靜壓有一定的函數(shù)關(guān)系[12]。表面靜壓測量的傳統(tǒng)方法是采用在被測物體表面排布壓力傳感器來進(jìn)行，雖然能夠測得物體表面局部靜壓，但不能全面給出物體表面的靜壓分布，而且不可避免地會破壞原有流場。PSP技術(shù)可以避免出現(xiàn)這類問題，通過測量壓氣機(jī)葉片的表面靜壓分布可為葉型設(shè)計(jì)以及材料選擇提供寶貴的試驗(yàn)依據(jù)。采用PSP技術(shù)可瞬時(shí)得到試驗(yàn)體的表面壓力分布，無需通過建立復(fù)雜的理論模型來計(jì)算，節(jié)省了研發(fā)時(shí)間和資金。

5 溫度場測量技術(shù)

測量溫度的傳統(tǒng)方法大多是點(diǎn)測量，有很多局限性，如被測溫度不能太高，采用接觸式測量會破壞流場，無法獲得整個(gè)溫度場的信息等。因?yàn)橥ㄟ^光譜分析可以同時(shí)得到燃燒溫度以及相應(yīng)燃燒產(chǎn)物（N2,CO2,H2,CO,CH4等）濃度的信息，且具有較好的時(shí)間和空間分辨能力，光譜分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用。

以激光技術(shù)為基礎(chǔ)的光譜測量技術(shù)，可以測量2000 K以上的溫度，而且可以提供整個(gè)溫度場的信息。

5.1 相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)

相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,CARS）技術(shù)也稱相干反斯托克斯拉曼光譜技術(shù)（Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy）。

采用CARS技術(shù)可同時(shí)獲得燃燒室內(nèi)燃?xì)鉁囟群湍橙紵a(chǎn)物的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。產(chǎn)生的相干信號可增加信噪比，并可以用空間濾波器來減少高溫燃?xì)鈳淼母蓴_光信號，因此增強(qiáng)了測量信號的質(zhì)量，這些優(yōu)點(diǎn)使得CARS技術(shù)在高溫燃燒溫度測量中具有獨(dú)特優(yōu)勢。

采用CARS技術(shù)，NASA蘭利研究中心的P.M.Danehy和R.DeLoach[13]等人較精確地測得了超聲速燃燒室的溫度場分布，Christoph Hassa，Chris Willert等人測得高壓燃燒室的燃?xì)鉁囟萚14]，M.Fischer,E.Magens,H.Weisgerber[15]等人測量了工作狀態(tài)下吸氣沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模型的溫度，NASA蘭利研究中心對2000 K以上的溫度場進(jìn)行了測試研究[16]。

5.2 激光掃描熱敏感漆技術(shù)

用傳統(tǒng)方法測量試驗(yàn)件的傳熱分布是無法滿足需要的。

激光掃描熱敏感漆(Laser-scanning Temperature-Sensitive Paints,TSP)技術(shù)可以很好地解決采用傳統(tǒng)方法時(shí)所遇到的難題，可以測量對流傳熱、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪表面溫度分布[17]。

6 結(jié)束語

隨著激光測量技術(shù)的發(fā)展，激光診斷技術(shù)在國外航空領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛。在中國航空工業(yè)領(lǐng)域則應(yīng)用較少。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，采用具有非接觸、自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)處理速度快、測量精度高、效率高、空間分辨率高等突出特點(diǎn)的激光診斷技術(shù)，不僅可以縮短研發(fā)周期，而且可以大大減少研發(fā)投資，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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